八十年代后期,，CCD器件進入實用階段,，得到廣泛的應(yīng)用。但直接用在低照度下的監(jiān)測和識別時,，信噪比急劇下降,。在軍事和天文觀測中可采用專用的像增強器，但在普通的應(yīng)用中,，為降低成本一般通過計算機進行圖像處理提高信噪比,。本文提供一種折衷的方案，通過分析CCD的特點,，采用硬件的方法實現(xiàn)圖像增強,，為計算機后端減少了大量復雜的運算，為整個系統(tǒng)的實時性創(chuàng)造了條件,。
1 CCD 的原理
　　CCD 的圖像捕捉過程分為三個子過程,，即：光電轉(zhuǎn)換" title="光電轉(zhuǎn)換">光電轉(zhuǎn)換和儲存，電荷轉(zhuǎn)移" title="電荷轉(zhuǎn)移">電荷轉(zhuǎn)移,，電荷讀出,。
　　CCD器件是有許多光敏像元組成的，每個像元可看成是一個兩極加有反向偏壓的光敏二極管" title="光敏二極管">光敏二極管,。當一個光子入射到光敏二極管的耗盡層時,，如果其能量hv大于半導體的禁帶Eg，半導體的價電子將越遷到導帶形成光生電子－空穴對,。由于空間電荷區(qū)對光生電子是一個低勢能的勢阱,，光生電子將被收集在勢阱中，這樣就完成了一次光電轉(zhuǎn)換和儲存,。
　　六十年代末,，貝爾實驗室的研究人員發(fā)現(xiàn)，電荷通過半導體勢阱會發(fā)生轉(zhuǎn)移現(xiàn)象,。這樣，如果把一系列的光敏二極管排列起來,，通過電荷在勢阱中的轉(zhuǎn)移,，就有可能在一定的時序驅(qū)動下讀出儲存在每個光敏二極管勢阱的光電信息。圖1是典型的三相CCD的電荷轉(zhuǎn)移過程,。

　　雖然用同一組CCD光敏二極管就可以完成攝像器件的光電轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)移,，但是，由于復雜的控制光點極不利于提高CCD器件的量子效率,。同時在CCD電荷轉(zhuǎn)移時各個光敏單元還正在進行光電轉(zhuǎn)換,，這將使輸出信號產(chǎn)生拖影。所以,，實際的CCD器件的光敏單元和轉(zhuǎn)移單元是分開的,，通過一定的時序控制可以實現(xiàn)光敏單元向轉(zhuǎn)移單元的整體轉(zhuǎn)移,，然后再由轉(zhuǎn)移單元串行地往外部輸出。
　　CCD的信號讀出通常采用選通電荷積分器結(jié)構(gòu),，圖2是三相CCD的電荷讀出原理：其中Cs是反向偏置二極管D的結(jié)電容,。當待讀出電荷到達Φ_OG勢阱時，T1在短脈沖的作用下快速導通使Cs充電到高電位,。接著下一相時鐘到達,，待讀出電荷轉(zhuǎn)移到Φ_OG勢阱，待讀出電荷將對Cs充電使其電壓下降,，電壓的下降幅度與待讀出電荷量成正比,，最后由T2驅(qū)動輸出。

2 CCD 的噪聲分析
　　在低照度圖像實時噪聲處理采集卡研制過程中,，我們所遇到的噪聲主要有以下幾種,。
　　暗電流" title="暗電流">暗電流噪聲：復合——產(chǎn)生中心非均勻分布，特別是某些單元位置上缺陷密集形成暗電流峰,。由于信號的讀出路徑各異,，這些暗電流峰對各個電荷包的電荷貢獻也不等，因而形成背景的很大起伏,。另外,，耗盡層熱激發(fā)(符合泊松分布)對背景起伏也有貢獻。
　　因暗電流大小與位置基本固定,，故可用電子學方法消除,。但當器件工作在長時間積分的弱信號觀測時，暗電流的影響將是主要因素,。在這種情況下,，器件應(yīng)工作于人工制冷狀態(tài)(在液氮溫度下，暗電流可比常溫下減小三個數(shù)量級),。
　　光響應(yīng)非均勻性：當CCD的各個像元在均勻光源照射下,、CCD器件具有光響應(yīng)非均勻性(PRNU)、它主要與器件的制造工藝有關(guān),，由于近紅外光在硅中的穿透能力較強,，PRNU還受襯底材料的非均勻性影響。PRNU沒有一定的規(guī)律,，因器件而異,，具有很大隨機性。因此,，對于弱信號的應(yīng)用,，應(yīng)進行實際測量，然后加以補償以達到均勻響應(yīng),。
　　散粒噪聲：光注入光敏區(qū)產(chǎn)生信號電荷的過程可看作隨機過程,，單位時間產(chǎn)生的光生電荷數(shù)目在平均值上做微小波動,，即形成散粒噪聲。散粒噪聲與頻率無關(guān),，在所有頻率范圍內(nèi)有均勻的功率分布(白噪聲特性),。散粒噪聲在低照度，低反差條件應(yīng)用時,，當其它噪聲用各種方法抑制后,，散粒噪聲成為主要噪聲，決定了一個器件的極限噪聲水平,。
　　雜波噪聲：主要來源于傳輸通道及各種器件,，多為無規(guī)則隨機信號，頻譜較寬,，幅度不等,。圖像信號相鄰像素、相鄰行,、相鄰幀具有較大相關(guān)性,，而雜波噪聲具有隨機性，據(jù)此可設(shè)計出積分平均器以改善雜波噪聲,。
　　實驗表明相鄰像素或相鄰行的積分平均器效果并不理想,，因為它較大地影響了水平和垂直分辨率，相鄰幀積分平均器對圖像分辨率影響不大,，特別對靜態(tài)圖像它具有極佳的雜波抑制效果,。在實現(xiàn)時一般還需對K值自適應(yīng)控制(幀間內(nèi)容變化較大時自動減小K值，反之增大),，以取得更好的效果,。積分平均器的數(shù)字電路實現(xiàn)原理及性能見圖3。

3 CCD 實時噪聲處理的硬件設(shè)計
　　對低照度條件下所遇到的主要噪聲特點分析,，除了散粒噪聲決定了最終噪聲水平,，必須通過降低工作溫度以提高信噪比外，其它噪聲可以通過適當?shù)乃惴右愿纳?。在實現(xiàn)時我們設(shè)計的處理流程如下：控制CCD短時間拍攝一幀圖像,，減去事先測量獲得的暗電流圖像，然后根據(jù)事先測量的光響應(yīng)非均勻性進行修正,，最后通過幀積分平均器消除散粒噪聲和雜波噪聲的影響,。
　　在實現(xiàn)時,，我們采用了具有很高邏輯密度和性價比的EPF10K30嵌入所有的算法和控制邏輯,，加上高速SRAM 和高速A/D變換器構(gòu)成了整個系統(tǒng)。其中SRAM分為三個可獨立的部分：存儲背景存儲器,、PRNU參數(shù)存儲器和幀存儲器,。當A/D完成一次轉(zhuǎn)換時,，控制邏輯同時從三個存儲器獲得數(shù)據(jù)，通過處理后寫回幀存儲器,，由于三個存儲器可同時訪問,，因此極大地提高了系統(tǒng)的并行處理效率。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4,。